那些希望在亚利桑那州扩张的主要半导体制造商可能会因西南地区前所未有的缺水而导致断水，至少目前如此。事实上，为了结束另一种短缺——全球半导体芯片短缺——英特尔和台积电都计划在亚利桑那州开设新工厂。但他们做出这个决定的时候，恰逢美国西部几十年来最严重的干旱之一，且事情正在变得更糟。联邦当局本周首次正式宣布科罗拉多河出现水资源短缺，这将导致多个州和墨西哥从 2022 年 1 月 1 日起停水。短缺发生在美国最大的水库胡佛水坝的米德湖和亚利桑那州的巨大水源。
计划中的断水如何动摇取决于在一套复杂的水资源共享协议下谁被赋予最高优先级。亚利桑那州拥有比与其共享的其他州更多的初级水权，将遭受最大的削减，每年损失约8%的总用水量。但就目前而言，这些削减将主要影响农业。数据显示，农业在 2019 年使用了该州 70% 以上的水资源。社区、市政用水和工业用水在该州被赋予更高的优先级，保护居民和公司，除非最终在米德湖宣布更严重的缺水。制造半导体的工厂或“晶圆厂”需要大量的水才能运作。据估计，它每天将消耗 200到 400 万加仑的水，使用这些水来冷却设备和清洁硅晶圆。这大约相当于亚利桑那州13,698 至 27,397 居民一天可能使用的水量 。晶圆厂在水质方面也非常挑剔，他们需要使用“超纯”水来防止任何杂质损坏芯片。该州的工业在 2019 年消耗了亚利桑那州 6% 的水，但随着芯片制造商和其他制造商的进驻，这一比例可能会增加。3 月，英特尔宣布将斥资 200 亿美元在亚利桑那州钱德勒建立两家新的半导体工厂，这是一项扩张现有园区的计划。
去年，该公司承诺到 2030 年将恢复和返回比其使用量更多的淡水。它正在接近亚利桑那州的基准，英特尔表示它在那里清理并返回了 2020 年使用淡水的 95%。它在钱德勒的 Ocotillo 园区拥有自己的水处理厂，类似于市政工厂。还有一个“盐水减少设施”，这是与钱德勒市的公私合作伙伴关系，每天可以将 250 万加仑的英特尔废水恢复到饮用标准。英特尔再次使用部分处理过的水，其余部分则用于补充地下水源或供周边社区使用。虽然英特尔回收了大部分水，但更多的晶圆厂意味着它需要通过其系统输送更多的水。该公司表示，亚利桑那州对英特尔的运营来说已经“至关重要”了 40 多年。该州已经拥有第一个“大型工厂网络”和最新的半导体工厂。根据其最新的企业责任报告，英特尔在 2020 年在亚利桑那州使用了超过 52 亿加仑的水——其中大约 20% 是再生水。英特尔在一封电子邮件中对The Verge表示：“我们不断寻找机会最大限度地减少我们的水用量，即使我们继续发展，我们也将继续在水资源保护和恢复方面进行投资。”芯片制造巨头台积电也将目光投向了亚利桑那州。2020 年 5 月，该公司宣布计划在凤凰城附近建造一座耗资 120 亿美元的新晶圆厂，这将是它在亚利桑那州的第一家和美国的第二家（第一家在华盛顿州）工厂。据路透社今年早些时候报道，台积电可能计划在未来 10 至 15 年内在亚利桑那州建造多达 6 座新晶圆厂。台积电在给The Verge的一封电子邮件中表示，目前预计水资源短缺不会对其在亚利桑那州建造新晶圆厂的计划产生“任何影响”，他们也表示，公司将“继续密切监视供水情况” 。”台积电的大部分晶圆厂都在台湾，今年早些时候，50 多年来最严重的干旱威胁到本已紧张的芯片供应链。据日经亚洲4 月报道，台积电计划今年在台湾完成一座新水处理厂的建设 ，最终可以回收足够的水来满足公司一半的日常需求。
虽然台湾仍然主导着半导体制造业，但亚利桑那州正在成为一个新的枢纽。拜登政府优先考虑建立国内半导体芯片供应，因为目前的短缺影响到从汽车到手机和游戏机的所有领域。另外两家公司 NXP 和 Microchip Inc. 在该州也设有晶圆厂。恩智浦没有立即回应The Verge 的置评请求， Microchip 拒绝置评。亚利桑那州是出了名的干旱，这使得它依赖于与其他州的水资源共享协议。亚利桑那州 38% 的水来自科罗拉多河，随着河流的水位越来越低，预计该州未来将面临一些艰难的选择。该州自 1994 年以来一直处于干旱状态，气候变化使情况变得更糟。据美国干旱监测机构称，现在，亚利桑那州的绝大多数地区面临“严重”干旱。
每个人都知道将水洒在手机上是个坏主意，但您知道生产一部手机需要3,000多加仑的水吗？开采金属、制造用于组装和封装的胶水和塑料以及稀释整个过程中使用的废水都需要水。这个数量是中国人均日用水量的10倍。
半导体，即为我们所有的电子设备（包括您的手机）供电的称为芯片的微型电路，尤其需要用到它。每块 30 厘米长的集成电路板在您的手机中安装芯片至少需要2,000 加仑的 水才能生产。这是因为每个芯片都需要用超纯水 (UPW) 冲洗 - 纯水被认为是工业溶剂 - 以去除制造过程中的碎屑（离子、颗粒、二氧化硅等）并防止芯片受到污染. 制造 1,000 加仑的 UPW需要1,400-1,600 加仑的自来水。
半导体现在是中美地缘政治竞争的重点。如果数据是新的石油，人工智能 (AI) 是新的电力，那么将半导体视为与任何其他资源一样会产生风险的全球资源是有道理的。我们还需要牢记制造它们所需的水资源。
虽然中国仅占半导体销售额的7.6%，但其计划在该领域的大规模投资（2014 年至 2030 年为 1500 亿美元）引起了人们对“人造卫星时刻”的担忧，即中国实现技术伟大的决心。尽管资金激增，但水资源供应仍然是一个重要的制约因素，因为半导体生产需要大量的水资源，而中国缺乏这一点，尤其是在芯片制造集中的地区。
迄今为止，半导体生产的用水需求尚未成为中国的主要关注点，中国一直专注于开发国内技术以减少对全球供应链的依赖。虽然中国属于后来者在半导体方面，但2021 年 7 月的一项研究半导体行业协会指出，得益于政府对该行业的资助、补贴和税收优惠，中国正在迅速赶上。新发布的“十四五”规划（2021-2025）将半导体确定为最优先的“前沿技术”之一，中国国务院概述了政府整体发展的方法。尽管如此，即使在 2014 年国家集成电路计划下投入了 1500 亿美元，中国在生产手机、笔记本电脑和其他高科技产品所需的高端芯片方面仍面临重大技术障碍。专家预计中国的成功喜忧参半——中国公司将在某些领域落后，例如尖端的代工工艺技术和材料，不过在外包组装和测试 (OSAT) 和芯片设计方面实现竞争力。直到 2021 年台湾干旱凸显了全球半导体供应链水资源供应的重要性，中国半导体政策的全球风险集中在国家安全后果、中国制定全球技术标准的努力、中国在全球供应链中的作用以及跨该部门的海峡紧张局势。国家安全：美国认为中国成为半导体行业的主要参与者会带来国家安全风险。随后美国进行了一些列黑名单操作。尽管为了扩大对中国半导体公司的限制，拜登政府一直专注于提高美国的国内能力。2021 年 6 月 8 日，美国参议院通过了《美国创新与竞争法案》，为国内半导体发展拨款 500 亿美元的紧急资金，拜登称这对美国在“21 世纪的竞争”中保持领先优势至关重要。标准：美国一直在向盟国和合作伙伴施压，不要使用华为技术。这在一定程度上说明了对国家安全可能会受到损害的担忧，但也关系到华为为 5G 技术制定全球技术标准的不断努力。迄今为止，美国和欧洲的公司凭借其提供的市场份额以及对商业需求的响应引领了这一进程。在其2020 年 12 月的年度报告中 ，美国安全与经济审查委员会详细说明了中国在塑造全球技术标准方面的努力如何反映了中国政府支持的产业政策，即在外部市场上为中国公司提供特权，同时限制国内准入并支持专制规范。供应链：来自多个国家和多个世界地区的公司参与了设计和生产过程。扰乱半导体行业的全球化供应链存在经济风险。出于这个原因，随着国际公司争先恐后地取代中芯国际成为供应商，特朗普政府对中国公司采取的行动导致半导体和汽车等需要半导体的产品短缺。在2021年4月研究半导体行业协会的结论是，建立完全自给自足的本地供应链需要花费1万亿美元，这可能会使半导体成本增加65%。一些行业专家建议采取更谨慎的方法来解决供应链中最重要的漏洞，例如美国制造业的份额从 1990 年的 37%下降到今天的12%，而其他人则建议采取更全面的努力填补美国在整个生产过程中的空白，包括创新、设备和封装。中国台湾：由于台湾在世界最先进半导体制造中的核心作用，台湾面临多重压力。2020年，台积电（TSMC）占全球半导体代工市场的55.6%，生产了全球92%的尖端芯片。为响应美国对华为的新规定，台积电暂停了该公司的新订单，该公司是其仅次于苹果的第二大客户，占其年收入的 20%。台积电还同意在亚利桑那州建厂。除了所有这些担忧之外，2021 年春季，通常多雨的亚热带台湾发生了 56 年来最严重的干旱，威胁着全球半导体的生产。干旱推迟了生产并导致芯片短缺。半导体生产商被迫配给水并用卡车运进来。由于担心未来气候变化会减少降雨量，台积电正在建造一座能够重复利用工业用水的新工厂，而其他生产商正在挖掘自己的水井。最重要的是，台湾 2021 年的干旱引起了人们对水对半导体生产的重要性的关注。确保足够数量的半导体和发展国内生产能力并不是中国面临的唯一挑战。确保有足够的水来生产半导体可能更令人生畏。ChinaWaterRisk计算出，一家生产 40,000 块电路板的工厂每天需要 480 万加仑的水，足以供应一个 60,000 人的城市。在中国中部发生史无前例的洪灾之际，值得记住的是，作为一个整体，中国的水资源相对不安全——尽管中国拥有世界 20% 的人口，但中国仅拥有全球 7% 的水资源。水也分布不均。大部分半导体产业所在的中国北方，水资源仅占全国的五分之一。即使在水资源短缺的情况下，中国半导体行业的用水也存在问题。2017年一项关于半导体行业用水的研究发现，中国在漂洗过程和生产所需电力的用水方面都比其他主要生产国(日本、韩国、台湾和美国)使用的水更多。与美国相比，中国用水量是美国的三倍。事实上，中国半导体行业吸收了27%的工业用水。对中国半导体的雄心发展需要把实现这一目标所需的水资源考虑在内，而中国却缺乏水资源。正如我们在台湾2021年的干旱中所看到的，即使有顶级人才和尖端技术，水资源短缺也会使生产偏离轨道。
电子信息工程概论 第2版 (叶树江，刘海成主编)
控制系统计算机辅助设计 — MATLAB语言与应用
京公网安备 11010802033920号